The Role of 2 nAChR Subunit in Postsynaptic State-Dependent Plasticity within the Drosophila Mushroom Bodies

La forza sinaptica nel cervello non viene regolata solo durante l'apprendimento: meccanismi postsinaptici permettono alle sinapsi di essere modulate anche dallo stato fisiologico interno dell'animale, più in generale. Nelle sinapsi di output del corpo fungiforme di Drosophila, la subunità del recettore nicotinico dell'acetilcolina α2 è un mediatore consolidato di questo tipo di plasticità postsinaptica, attività-dipendente, nel contesto della memoria associativa. Se la stessa subunità sostenga anche una plasticità stato-dipendente in senso più generale — regolando la forza sinaptica in risposta a una pressione puramente fisiologica, non associativa, piuttosto che a un'associazione appresa — è la domanda più ampia a cui questa tesi cerca di rispondere. La pressione indotta dalla deprivazione di sonno e lo stato nutrizionale sono state scelte come variabili fisiologiche per testare questa domanda, poiché impongono una richiesta omeostatica su questo circuito senza alcun addestramento esplicito, e poiché è noto che la deprivazione di sonno aumenta l'attività elettrica di MBON-γ2α′1 (Sitaraman et al., 2015) riducendo al contempo il suo numero di contatti presinaptici con i Kenyon cells (Weiss e Donlea, 2021) — un pattern che un resoconto puramente presinaptico non riesce a spiegare facilmente. Utilizzando una linea reporter con tag endogeno EGFP per α2, l'espressione di α2 è stata quantificata in tutti e dieci i compartimenti di output del corpo fungiforme, in un disegno fattoriale 2×2 che incrocia deprivazione di sonno e deprivazione di cibo (CNTRL, SD, FD, FDSD; n = 14–20 moscerini per gruppo). La deprivazione di sonno ha aumentato significativamente la fluorescenza di α2-EGFP in quattro compartimenti — γ5, γ2, γ1 e β1 — un pattern compartimento-specifico incompatibile con un effetto aspecifico esteso a tutto il cervello. La sola deprivazione di cibo non ha prodotto alcun cambiamento in nessun compartimento, ma, inaspettatamente, ha abolito l'effetto della deprivazione di sonno in tutti e quattro i compartimenti quando le due venivano combinate, indicando che lo stato nutrizionale regola, piuttosto che limitarsi ad aggiungersi, questa risposta postsinaptica. In MBON-γ5β′2a/M6, dove l'attività era stata precedentemente mostrata diminuire dopo la deprivazione di sonno, l'aumento di α2 è difficile da conciliare con un semplice resoconto postsinaptico. Un modello computazionale che combina i dati di α2 di questa tesi con dati presinaptici ed elettrofisiologici pubblicati, sotto un'unica costante di accoppiamento condivisa, mostra che questa riconciliazione è quantitativamente impossibile senza un ulteriore input inibitorio, plausibilmente proveniente da MVP2 — una predizione specifica e falsificabile per lavori futuri. Nel loro insieme, questi risultati mostrano che la plasticità postsinaptica α2-dipendente non è specifica dell'apprendimento associativo ma viene reclutata anche da stati puramente omeostatici, rivelano un'interazione non ancora documentata tra pressione di sonno e stato nutrizionale, e trasformano un enigma di lunga data in questo circuito in un'ipotesi concreta e verificabile.

Synaptic strength in the brain is not only adjusted during learning: postsynaptic mechanisms also allow synapses to be tuned by an animal's broader internal, physiological state. At Drosophila mushroom body output synapses, the nicotinic acetylcholine receptor subunit α2 is an established mediator of this kind of postsynaptic, activity-dependent plasticity in the context of associative memory. Whether the same subunit also supports state-dependent plasticity more generally — adjusting synaptic strength in response to a purely physiological, non-associative pressure, rather than a trained association — is the broader question this thesis addresses. Sleep pressure and feeding state were chosen as the physiological variables to test this question, since they impose a homeostatic demand on this circuit without explicit training, and since sleep deprivation is known to increase MBON-γ2α′1's electrical activity (Sitaraman et al., 2015) while reducing its presynaptic KC contact number (Weiss and Donlea, 2021) — a pattern a purely presynaptic account cannot easily explain. Using an endogenously EGFP-tagged α2 reporter line, α2 expression was quantified across all ten mushroom body output compartments in a 2×2 factorial design crossing sleep deprivation with food deprivation (CNTRL, SD, FD, FDSD; n = 14–20 flies per group). Sleep deprivation significantly increased α2-EGFP fluorescence at four compartments — γ5, γ2, γ1, and β1 — a compartment-specific pattern inconsistent with a nonspecific, brain-wide effect. Food deprivation alone produced no change anywhere, but unexpectedly abolished the sleep-deprivation effect at all four compartments when combined with it, indicating that feeding state gates, rather than simply adds to, this postsynaptic response. At MBONγ5β′2a/M6, where activity was previously shown to decrease after sleep deprivation, the α2 increase is difficult to reconcile with a simple postsynaptic account. A computational model combining this thesis's α2 data with published presynaptic and electrophysiological data under one shared coupling constant shows this reconciliation is quantitatively impossible without an additional inhibitory input, plausibly from MVP2 — a specific, falsifiable prediction for future work. Together, these results show that α2-dependent postsynaptic plasticity is not specific to associative learning but is also recruited by purely homeostatic states, uncover an undocumented interaction between sleep pressure and feeding state, and turn a long-standing puzzle in this circuit into a concrete, testable hypothesis.